基于格子玻尔兹曼方法的振荡来流中串联方形圆柱流动状态转变与气动力调制研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Lattice Boltzmann method based investigation of flow regime transitions and aerodynamic force modulation in tandem square cylinders with oscillatory inflow

　　

摘要

本研究利用格子玻尔兹曼方法，在雷诺数（Re = 150）条件下，分析了两个串联方形圆柱体周围的流体流动动力学特性。研究考虑了非振荡和振荡来流环境（激振频率（f_s）范围为0至6），分别针对间隙间距g* = 1、3.5、6进行分析。分析结果显示出现三种不同的流动状态：一是单体流动状态，表现为恒定阻力和稳态周期性升力；二是对称再附着流动状态，其升力幅值随时间增大；三是反相涡脱落流动状态，其阻力系数和升力系数随时间呈现周期性变化。在前一个间隙间距和振荡频率范围内，前一个圆柱体的平均阻力系数在1.1958至1.2645之间波动，而后一个圆柱体的阻力系数则在?0.2251至0.3654之间变化。在对称再附着流动情况下，第二个圆柱体的阻力为负值，表明间隙内存在强烈的吸力效应。尾流区再循环涡旋的产生被确定为对激振频率的响应。即使在同一间隙比条件下，涡旋的形状、尺寸及生成机制也会随来流频率的变化而显著改变。研究表明，施图哈尔数（St）及谱能均受到$f_s$的显著影响。本研究表明，总体而言，来流振荡会增强阻力和升力的波动幅度。

章节摘要

文献综述

分析矩形通道内圆柱体周围的流体流动动力学特性对于多种技术应用和民用结构至关重要，包括微流控设备、热交换器、通风系统以及海上平台等。空气和水流会使这些结构承受流动诱导力，最终可能导致结构随时间推移而失效。因此，必须深入理解这些力及其产生的流动行为，以确保结构的可靠性和使用寿命。

方法论

本研究采用LBM作为模拟流体动力学问题的常用离散数值方法。格子气体自动机和LBM是源自粒子动力学的常用技术。其中，LBM在过去二十年间获得了越来越广泛的关注。LBM的动力学本质，尤其是其从动力学理论演变而来的特点，吸引了众多研究者。LBM通过在中观尺度上运行，将微观和宏观尺度联系起来，而非

问题几何形状

所研究问题的计算域示意如图2所示。两个特征长度为D的方形圆柱体以串联排列方式布置在矩形域内。上游方形圆柱体距入口边界8D，下游方形圆柱体距出口边界20D。上下边界均距方形圆柱体10D。S表示两个圆柱体之间的间距。

结果与讨论

在本研究中，分析了[激振频率]对两个串联方形圆柱体流动参数的影响。数值模拟在激振频率范围0 ≤ $f_s$ ≤ 6内进行，步长为0.5，雷诺数恒定（Re = 150）。本分析选取三种间隙间距：g* = 1（小间距）、g* = 3.5（中距）和g* = 6（大间距）。研究重点在于激振频率对尾流动力学的影响，特别是对涡的

力统计分析

本节分析作用在两个圆柱体上的应力，具体考察在g* = 1、g* = 3.5和g* = 6条件下振荡与非振荡流动对这些力的影响。图14(a-e)展示了$f_s$和g*的变化对多个参数的影响，包括${\mathit{Cd}}_{\mathit{mean}}$、$\mathit{St}$、谱能、${\mathit{Cd}}_{\mathit{rms}}$以及${\mathit{Cl}}_{\mathit{rms}}$。在需要最小化阻力和控制振动的项目中，工程师和设计师必须仔细分析上述物理特性。图14(a)

结论

本研究对两种流动类型进行了数值模拟：非振荡流和振荡流，对象为串联排列的两个方形圆柱体，在三个特定间隙间距（g* = 1、3.5和6）下，雷诺数恒定（Re = 150），并将振荡频率从0变化至6，步长为0.5。本研究采用LBM作为计算工具。主要发现如下：

• 1.
  在三种[间隙间距]条件下识别出三种不同的流动模式

CRediT作者贡献声明

Muhammad Ghayoor：撰写—初稿，可视化，方法论，调查研究，数据整理。Waqas Sarwar Abbasi：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，监督指导，调查研究，数据整理，概念构思。Shams Ul Islam：撰写—初稿，可视化，软件，调查研究，形式化分析。S. Bilal：撰写—初稿，可视化，验证，调查研究，数据整理。

AI辅助技术声明

作者在撰写论文过程中使用了QUillbot进行句子纠错、语法改进和流畅性优化。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本论文所报告的工作。

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